Den nye en superledende mikrobølge kredsløb med et grafen Josephson -kryds. Kredit:TU Delft
Superledende kvante mikrobølge kredsløb kan fungere som qubits, byggestenene i en fremtidig kvantecomputer. En kritisk komponent i disse kredsløb, Josephson -krydset, fremstilles typisk ved hjælp af aluminiumoxid. Forskere i Quantum Nanoscience -afdelingen ved Delft University of Technology har nu med succes inkorporeret et grafen Josephson -kryds i et superledende mikrobølge kredsløb. Deres arbejde giver ny indsigt i interaktionen mellem superledning og grafen og dets muligheder som materiale til kvanteteknologier.
Den væsentlige byggesten i en kvantecomputer er kvantebiten, eller qubit. I modsætning til almindelige bits, som enten kan være en eller nul, qubits kan være en, nul eller en superposition af begge disse tilstande. Denne sidste mulighed, at bits kan være i en superposition af to tilstande på samme tid, gør det muligt for kvantecomputere at arbejde på måder, der ikke er mulige med klassiske computere. Implikationerne er dybtgående:Kvantecomputere vil kunne løse problemer, der vil tage en almindelig computer længere end universets alder at løse.
Der er mange måder at oprette qubits på. En af de afprøvede metoder er ved hjælp af superledende mikrobølge kredsløb. Disse kredsløb kan konstrueres på en sådan måde, at de opfører sig som harmoniske oscillatorer "Hvis vi sætter en ladning på den ene side, det vil gå gennem induktoren og svinge frem og tilbage, "sagde professor Gary Steele." Vi gør vores qubits ud af de forskellige tilstande i denne afgift, der hopper frem og tilbage. "
Et væsentligt element i kvante mikrobølge kredsløb er det såkaldte Josephson junction, der kan, for eksempel, består af et ikke-superledende materiale, der adskiller to lag af superledende materiale. Par superledende elektroner kan tunnel gennem denne barriere, fra den ene superleder til den anden, hvilket resulterer i en superstrøm, der kan flyde på ubestemt tid uden spænding.
I state-of-the-art Josephson-krydser til kvantekredsløb, det svage led er et tyndt lag aluminiumoxid, der adskiller to aluminiumselektroder. "Imidlertid, disse kan kun indstilles ved brug af et magnetfelt, potentielt fører til cross-talk og on-chip opvarmning, som kan komplicere deres anvendelse i fremtidige applikationer, "sagde Steele. Graphene tilbyder en mulig løsning. Det har vist sig at være vært for robuste superstrømme over mikronafstande, der overlever i magnetfelter på op til et par Tesla. Dog er disse enheder havde hidtil været begrænset til jævnstrøm (DC) applikationer. Applikationer i mikrobølge kredsløb, såsom qubits eller parametriske forstærkere, ikke var blevet undersøgt.
Nærbillede af det nye et superledende mikrobølge kredsløb med et grafen Josephson-kryds. Kredit:TU Delft
Forskerteamet ved Delft University of Technology inkorporerede et grafen Josephson -kryds i et superledende mikrobølge kredsløb. Ved at karakterisere deres enhed i DC -regimet, de viste, at deres grafen Josephson -kryds udviser ballistisk superstrøm, der kan indstilles ved brug af en portspænding, som forhindrer enheden i at varme op. Ved spænding af kredsløbet med mikrobølgestråling, forskerne observerede direkte Josephson -induktansen i krydset, som indtil nu ikke havde været direkte tilgængelig i grafen -superledende enheder.
Forskerne mener, at grafen Josephson -kryds har potentiale til at spille en vigtig rolle i fremtidige kvantecomputere. "Det gjenstår at se, om de kan gøres til levedygtige qubits, imidlertid, "sagde Steele. Mens grafenkrydsene var gode nok til at bygge qubits, de var ikke så sammenhængende som traditionelle kvantemikrobølge kredsløb baseret på aluminiumoxidforbindelser, så yderligere udvikling af teknologien er påkrævet. Imidlertid, i applikationer, der ikke kræver høj sammenhæng, gate tunability kunne være nyttig nu. En sådan applikation er i forstærkere, som også er vigtige i kvanteinfrastruktur. Steele:"Vi er ret begejstrede for at bruge disse enheder til kvanteforstærkerapplikationer."
Forfatterne har gjort alle de data, der er offentliggjort i manuskriptet, tilgængelige i et åbent arkiv, inklusive stien helt tilbage til dataene, som de blev målt fra instrumentet. Ud over, forskerne frigav al den software, der bruges til måling af dataene, analysere data, og lave plottene i figurerne under en open-source-licens.
Resultaterne af undersøgelsen er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .